包括环形磁性隧道结的自旋转移力矩磁随机存取存储器制造技术

本发明专利技术涉及包括环形磁性隧道结的自旋转移力矩型磁随机存取存储器。一种磁随机存取存储器可以具有多个存储单元，所述多个存储单元排列成行和列的阵列，每个存储单元包括：第一晶体管和第二晶体管，二者的源级彼此连接；第三晶体管和第四晶体管，二者的漏极分别连接到第一晶体管和第二晶体管的漏极，二者的源级彼此连接；以及磁性隧道结，其连接在第一晶体管和第三晶体管的漏极与第二晶体管和第四晶体管的漏极之间。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总体上涉及磁随机存取存储器(MRAM)，更特别地，涉及一种自旋转移力矩型磁随机存取存储器(STT-MRAM)，其具有包括环形磁性隧道结的存储单元以及用于读取各个存储单元的读取电路，并且还涉及磁随机存取存储器的操作方法。
技术介绍
磁随机存取存储器(magneticrandomaccessmemory，MRAM)概念早在1955年就被提出，但是直到1995年室温隧穿磁电阻(TMR)效应的发现，MRAM才重新引起科学界和工业界的广泛关注。MRAM具有非挥发性、寿命长、低功耗、抗辐射等诸多优点，被视为下一代存储技术的主要候选者之一，可在工业自动化、嵌入式计算、网络和数据存储、卫星航天等重要的民生和国防领域具有巨大的潜在应用价值。MRAM的每个存储单元的核心结构是磁性隧道结(MTJ)，每个磁性隧道结包括两个铁磁层和夹在两个铁磁层之间的绝缘势垒层，其中一个铁磁层的磁矩被钉扎且在操作期间不改变方向，因此被称为参考层，另一个铁磁层的磁矩方向可通过外磁场或电流而容易地改变，因此被称为自由层。磁性隧道结的电阻与两个铁磁层的磁矩之间的夹角θ的余弦成比例。当两个铁磁层的磁矩彼此平行时，磁性隧道结的电阻最小，其可以对应于逻辑态“0”或“1”；当两个铁磁层的磁矩彼此反平行时，磁性隧道结的电阻最大，其可以对应于逻辑态“1”或“0”。为了将逻辑态“1”和“0”写入到磁性隧道结中，或者换言之，为了将磁性隧道结设置成平行态或反平行态，可以采用多种方法。第一种方法是使用由导线产生的磁场来设置自由层的磁化方向，这属于第一代MRAM；第二种方法是使用自旋转移力矩来设置自由层的磁化方向，这属于第二代MRAM，也称为STT-MRAM。与常规的磁性隧道结不同，还提出了一种环形磁性隧道结，其中磁性隧道结的平面形状为环形。图1示出了包括环形磁性隧道结110的MRAM存储单元100。如图1所示，环形磁性隧道结110包括参考层112、自由层116以及位于二者之间的绝缘势垒层114。此外，MRAM存储单元100还包括与环形磁性隧道结110串联连接的选择开关120，例如图1所示的选择晶体管，以控制流经环形磁性隧道结110的电流。在读取操作期间，通过测量流经环形磁性隧道结110的读取电流IR的大小，可确定环形磁性隧道结110中的参考层112和自由层116的磁矩是出于平行状态还是反平行状态，进而得到所存储的数据“0”或“1”。在写入操作期间，当要写入“0”时，施加从自由层116到参考层112的电流，也就是说，电子从参考层112流向自由层116。由参考层112产生的自旋极化电流通过自旋转移力矩效应而将自由层116的磁化设置为与参考层112的磁化方向相同，即平行状态。当要写入“1”时，施加从参考层112到自由层116的电流，也就是说，电子从自由层116流向参考层112。从参考层112反射的相反自旋极化电流通过自旋转移力矩效应而将自由层116的磁化设置为与参考层112的磁化方向相反，即反平行状态。在环形磁性隧道结中，由于自由层和参考层的磁矩都成闭合状，所以可以消除层间和相邻单元的杂散磁场，避免层间和相邻单元之间的耦合干扰，从而可以进一步提高磁存储密度，并且改善诸如热稳定性之类的器件特性。然而，环形磁性隧道结也存在多方面的缺点。例如，写入电流要足够大，才能使自由层的磁矩发生翻转，而过大的写入电流又容易使磁性隧道结的绝缘势垒层被击穿，对磁性隧道结造成不可逆的永久性伤害。在常规的环形磁性隧道结的写入操作中，写入数据“1”和“0”时需要施加的电流方向不同，这对提供电流(或电压)的电源提出了挑战，要求电源能够提供精确并且不同的多个电压，例如提供一个正电压和一个负电压以形成不同方向的电流。另一方面，由于工艺误差，很难制备具有良好形状特性的环形磁性隧道结。如图2所示，环形磁性隧道结的内孔中心可能偏离环中心，导致诸如参考层和自由层之类的磁层的形状不是理想的环形，从而影响磁层的磁矩翻转。例如，自由层的磁畴可能会发生不一致的翻转，导致整个环形磁性隧道结将处在介于高阻态和低阻态之间的第三种电阻状态，称之为中间阻态。此时，如果仍采用常规的读取电路的话，将会造成数据读取错误。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种自旋转移力矩型磁随机存取存储器(STT-MRAM)，其具有包括环形磁性隧道结的存储单元以及用于读取各个存储单元的读取电路，所述自旋转移力矩型磁随机存取存储器能够克服上述问题中的一个或多个，或者此处未论述的现有技术中存在的问题中的一个或多个。根据一示范性实施例，一种磁随机存取存储器可以具有多个存储单元，所述多个存储单元可以排列成行和列的阵列，其中每个存储单元包括：第一晶体管和第二晶体管，二者的源级彼此连接；第三晶体管和第四晶体管，二者的漏极分别连接到第一晶体管和第二晶体管的漏极，二者的源级彼此连接；以及磁性隧道结，其连接在第一晶体管和第三晶体管的漏极与第二晶体管和第四晶体管的漏极之间。在一些实施例中，所述磁性隧道结是环形磁性隧道结，并且所述磁随机存取存储器是自旋转移力矩型磁随机存取存储器。在一些实施例中，所述第一晶体管和第二晶体管是PMOS晶体管，所述第三晶体管和第四晶体管是NMOS晶体管。在一些实施例中，所述第一晶体管和第二晶体管的源级还连接到位线，所述第三晶体管和第四晶体管的源级还通过选择晶体管连接到源极线，所述选择晶体管的栅极连接到选择线。在一些实施例中，所述位线还连接到电压灵敏放大器的正输入端，所述电压灵敏放大器的负输入端被提供有一参考电压，所述参考电压等于所述磁性隧道结的电阻为其高阻态和低阻态的平均电阻时，所述位线上的读取电压。在一些实施例中，所述位线还经由参考电阻器连接到电流灵敏放大器的正输入端，所述源极线还连接到所述电流灵敏放大器的负输入端，所述参考电阻器的电阻值等于所述磁性隧道结的电阻为其高阻态和低阻态的平均电阻时，所述位线与所述源极线之间的读取电阻。在一些实施例中，对于同一列中的每两个相邻存储单元，一个存储单元用作主存储单元以存储所需存储的二进制数据，另个一存储单元用作副存储单元以存储与所述主存储单元存储的二进制数据相反的二进制数据。在一些实施例中，与所述主存储单元对应的位线还连接到电压灵敏放大器的正输入端，并且与所述副存储单元对应的位线还连接到所述电压灵敏放大器的负输入端。在一些实施例中，与所述主存储单元对应的源极线还连接到电流灵敏放大器的正输入端，并且与所述副存储单元对应的源极线还连接到所述电流灵敏放大器的负输入端。根据另一示范性实施例，一种操作上述磁随机存取存储器的方法可以包括：使所述第一晶体管和所述第四晶体管导通，并且使所述第二晶体管和所述第三晶体管截止，以使电流以第一方向流经所述磁性隧道结从而写入第一二进制数据；以及使所述第一晶体管和所述第四晶体管截止，并且使所述第二晶体管和所述第三晶体管导通，以使电流以第二方向流经所述磁性隧道结从而写入第二二进制数据，所述第二方向与所述第一方向相反，并且所述第二二进制数据与所述第一二进制数据不同。在一些实施例中，所述方法还可以包括：使所述第一晶体管和所述第四晶体管导通并且使所述第二晶体管和所述第三晶体管截止，或者使所述第一晶体管和所述第四晶体管截止并且使所述第二晶体管和所述第三晶体管导通，以使读取电流沿所述第一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁随机存取存储器，具有多个存储单元，所述多个存储单元排列成行和列的阵列，每个存储单元包括：第一晶体管和第二晶体管，二者的源级彼此连接；第三晶体管和第四晶体管，二者的漏极分别连接到第一晶体管和第二晶体管的漏极，二者的源级彼此连接；以及磁性隧道结，其连接在第一晶体管和第三晶体管的漏极与第二晶体管和第四晶体管的漏极之间。

【技术特征摘要】
1.一种磁随机存取存储器，具有多个存储单元，所述多个存储单元排列成行和列的阵列，每个存储单元包括：第一晶体管和第二晶体管，二者的源级彼此连接；第三晶体管和第四晶体管，二者的漏极分别连接到第一晶体管和第二晶体管的漏极，二者的源级彼此连接；以及磁性隧道结，其连接在第一晶体管和第三晶体管的漏极与第二晶体管和第四晶体管的漏极之间。2.如权利要求1所述的磁随机存取存储器，其中，所述磁性隧道结是环形磁性隧道结，并且所述磁随机存取存储器是自旋转移力矩型磁随机存取存储器。3.如权利要求1所述的磁随机存取存储器，其中，所述第一晶体管和第二晶体管是PMOS晶体管，所述第三晶体管和第四晶体管是NMOS晶体管。4.如权利要求1所述的磁随机存取存储器，其中，所述第一晶体管和第二晶体管的源级还连接到位线，所述第三晶体管和第四晶体管的源级还通过选择晶体管连接到源极线，所述选择晶体管的栅极连接到选择线。5.如权利要求4所述的磁随机存取存储器，其中，所述位线还连接到电压灵敏放大器的正输入端，所述电压灵敏放大器的负输入端被提供有一参考电压，所述参考电压等于所述磁性隧道结的电阻为其高阻态和低阻态的平均电阻时，所述位线上的读取电压。6.如权利要求4所述的磁随机存取存储器，其中，所述位线还经由参考电阻器连接到电流灵敏放大器的正输入端，所述源极线还连接到所述电流灵敏放大器的负输入端，所述参考电阻器的电阻值等于所述磁性隧道结的电阻为其高阻态和低阻态的平均电阻时，所述位线与所述源极线之间的读取电阻。7.如权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩秀峰，秦健鹰，刘厚方，章尧君，郭鹏，陈怡然，李海，魏红祥，丰家峰，詹文山，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11